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1. 실험 목표 : 자유 낙하 운동을 통한 중력가속도 측정 2. 준비물: 아두이노, 점퍼선, 브레드보드, 적외선 감지 센서, 충격 감지 센서, LCD 3. 사전 학습: 자유낙하운동이란 중력의 영향을 받는 물체가 외부 힘에 영향을 받지 않고 자유롭게 떨어지는 운동이다. 적용되는 공식으로는 h=1/2gt^2이 있다. 외부 힘을 받지 않는 운동이므로 시작점에서의 위치에너지가 도착지점에서의 운동에너지로 전부 전환되고, v=gt(등가속도운동)라는 사실을 통해 유도할 수 있다. 적외선감지센서는 시작 시간을, 충격감지센서는 끝 시간을 측정함으로써 두 센서가 측정한 시간의 차이, 즉 낙하시간을 구한다. 높이는 약 1.5m로 임의로 설정한다. 따라서 중력가속도g를 구할 수 있다. 4. 실험 방법: 회로 구성과 소스 코드 작성을 완료합니다. 소스 코드를 업로드합니다. 실험에 사용되는 센서가 올바르게 작동하는지 확인합니다. 골판지 조립을 완료합니다. 1.5m 높이의 벽면에 적외선 감지 센서를 설치합니다. 적외선 감지 센서와 수직이 될 수 있도록 바닥에 충격 감지 센서를 설치합니다. 적외선 감지 센서 앞에 물체를 가져다 대고 물체가 인식되는지 확인하세요. 물체가 인식되었다면 수직으로 물체를 떨어뜨립니다. 물체가 떨어진 시간과 높이를 계산해 중력과 자유낙하 속도를 구합니다. 여러 번 실험을 반복하고 평균 값을 구해보세요. 5. 주의 사항 : 물체가 낙하하여 직접 충격 감지 센서에 닿을 경우에 손상될 수 있으므로 충격감지센서를 종이판 뒤에 설치해서 간접적으로 충격을 받도록 한다. 물체의 낙하 경로에 방해되는 물체를 두지 않는다. 물체의 낙하위치를 적외선 감지센서의 위치 바로 앞에서 시작하고, 시작과 끝 시간을 측정하는 센서들이 물체를 잘 감지하게 하기 위해서 낙하 실험들 사이에 시간간격을 둔다. 6. 실험결과 : 첫번째 낙하 실험에서의 중력가속도 : 10.2 (m/s^2) 두번째 : 10.7 세번째 : 10.3 평균 -> 10.4m/s^2 오차율(이론값 9.8) -> 6.1% 7. 소감: 위의 3개 결과 값들은 사실 10번 넘게 던진 실험에서 가장 이론값과 가까운 결과들 선별하여 3개를 고른 것이다. 다른 실험에서는 중력가속도가 0.XX, 14, 28, 네자리수 등이 나와서 매우 오차가 컸었다. 오차원인을 분석해보니 공기저항도 있었지만 공기저항은 현실에서 실험하는 경우 불가피한 원인이었고 낙하거리가 길지 않고 물체의 크기가 크지 않았기 때문에 영향이 적을 것이라고 생각했다. 내가 생각한 가장 큰 이유는 물체가 센서에 제대로 감지되지 않았던 것이었다. 적외선센서나 충격감지센서에서 물체가 제대로 인식되지 않아 값이 이상하게 나왔던 것이다. 결과가 매우 작았던 경우에는 이론[h=1/2gt^2]에 따라 낙하시간이 매우 컸다는 뜻이고, 저번 실험에서 충격감지센서가 물체의 충격을 감지하지 못해 전 실험의 결과와 섞여서 오차가 발생했다고 생각해볼 수 있다. 결과가 매우 컸던 경우에는 낙하시간이 매우 작았다는 뜻인데, 낙하시간은 적외선센서와 충격감지센서가 측정한 시간차이로 정의되므로 어떠한 원인에 의해서 거의 동시에 두 센서가 측정했다는 뜻이다. 내가 생각한 원인으로는 결국 적외선센서와 충격감지센서가 하나의 아두이노에 점퍼선으로 연결되어있기 때문에 물체를 떨어트리는 과정에서 적외선센서에 충격이 가해졌고, 그 충격이 아두이노 회로 전체에 가해짐으로써 거의 동시에 충격감지센서가 작동하여 매우 작은 낙하시간을 가졌다고 생각해볼 수 있다. 보완을 위해서 적외선 센서 위에서부터 물체를 내려 낙하를 준비하는 방식으로 바꿨고 실험에 실패한 경우에는 직접 충격감지센서를 쳐서 실험을 리셋시켰다. 또한 물체를 손으로 놓는 순간에 힘이 들어갈 가능성을 줄이기 위해 한 명이 물체를 떨어트리는 사람을 보며 확인했다. 이렇게 점점 실험을 개선해 나가니 결과값의 오차율이 적어지는 경향성을 보였다. 이번 자유낙하 실험을 통해 실험의 결과가 내가 알고 있던 이론과 다를 때 원인을 분석하고 그것을 실험 과정의 개선을 통해서 줄여나가는 능력을 기를 수 있었다. 개선할수록 실험방식과 장비의 특성, 코딩이 작동하는 방식 또한 더욱 깊게 알 수 있어 일석이조였다. 그리고 팀의 중요성도 알게 되었다. 하나의 아두이노에 많은 장비를 연결하다보니 점퍼선의 구조가 복잡해 혼자 조립하기 어려웠다. 실험과정에서는 물체를 떨어트리고, 물체를 떨어트리는 것을 감시하고, 컴퓨터가 잘 인식하는지 데이터를 확인하고, 실험을 기록했어야 했는데 나혼자만 했다면 과연 가능했을까라는 생각을 하게 되었다. 분담이라는 것을 통해 자신이 맡은 바를 집중적으로 수행해서 실험의 정확성을 높이고, 시간을 단축시킬 수 있었다. 또한 결과를 팀이 서로 의논해 도출함으로써 의견을 공유하고 더 나은 방법을 찾을 수 있어서 좋았다.

1. 실험 목표: 스트로보스코프 현상의 관찰을 통한 이해 2. 준비물: 아두이노, 브레드보드, 점퍼선, 단색LED, 저항220옴, 택트스위치 2개, 5V FAN 3. 사전학습: 일반적으로 사람의 눈은 모든 순간을 감지할 능력이 없으며, 평균 1초당 12프레임을 감지할 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 일정한 속도로 움직이는 물체에 일정한 주파수의 빛을 비추게 되면, 움직이고 있는 물체를 멈추거나 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보이게 할 수 있다. 4. 실험 방법: 아두이노를 PC에 연결하여 포트설정이 되어 있는지 확인 합니다. 아두이노의 GND를 브레드보드와 연결합니다. 택트 스위치를 브레드보드에 연결하며, 각각 GND, 2번핀과 3번핀에 연결합니다. 브레드보드에 단색 LED의 짧은 다리 ( - )에 GND와 저항을 연결하며, 긴 다리( + )는 13번 핀에 연결합니다. 아두이노에 5V FAN의 5V, GND에 연결합니다. 아두이노 스케치에 코딩 후 업로드를 클릭해 스트로보스코프 실험을 진행합니다. 5. 주의사항: 움직이는 팬에 손을 다치지 않도록 조심한다. 은근 따갑다. 저항을 브레드보드에 잘 연결한다. 저항은 전압을 낮춰줘서 LED의 손상을 방지하는데 저항이 잘 연결되지 않을 경우 LED에 불이 안 들어올 수 있다. LED를 비춰보며 스트로보스코프 현상을 볼 때 점퍼선의 연결이 풀리거나 점퍼선이 FAN에 닿지 않도록 조심한다. 6. 실험결과: LED를 비춰보았을 때 스티커가 반대방향으로 이동하는 것처럼 보였다. 7. 소감: 자동차의 휠과 같은 바퀴들을 보면 갑자기 휠이 뒤로 움직이는 것처럼 느껴질 때가 있었는데 그 현상의 이름이 스트로보스코프라는 개념이라는 것을 알게 되었다. FAN의 회전방향이 LED를 비췄을 때는 완전 잘 움직여서 위화감이 전혀 없었는데 LED를 제거하고 속도를 느리게 해보니 사실은 반대방향으로 회전하고 있어서 내 뇌가 완벽히 속은 것 같아 조금 무서웠다. 스트로보스코프 현상에서는 FAN이 정지한 것처럼도 보일 수도 있다고 하는데 만약 FAN이 정지한 줄 알고 방심해서 만지거나 가까이 다가가다가 사고가 나면 정말 위험할 것 같다. 주파수를 통해 현상의 정도를 조절할 수 있다고 하니 장치 근처의 조명 주파수를 조절하는 방식 등으로 사고를 방지하는 기술이 꼭 필요할 것 같다. 아니면 스트로보 스코프라고 하는 회전속도 측정계를 꼭 이용한 후 회전체에 접근해야할 것 같다. 이 현상은 신비롭지만 위험한 양날의 검인 것 같다.

자유낙하실험 사진 5장 스트로보스코프 사진 3장 ( 회전하는 사진을 못 찍었습니다 )